電子秤常用的電阻應(yīng)變式稱重傳感器講解

電子秤常用的電阻應(yīng)變式稱重傳感器講解

稱重傳感器是整個傳感器大家族中歷史最長、應(yīng)用廣、技術(shù)相對成熟的一個分支。我國稱重傳感器的發(fā)展源于軍工企業(yè)中航空航天領(lǐng)域的力學(xué)測試，其歷史可以追溯到上世紀(jì)六十年代。我國衡器工業(yè)的快速發(fā)展，推動了我國稱重傳感器制造企業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。特別是在近十年當(dāng)中應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，使用數(shù)量的不斷增加，已經(jīng)促使稱重傳感器制造形成了一個強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)群體。對我國的衡器工業(yè)，乃至工業(yè)自動化領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)而積極的影響。

一、稱重傳感器原理：

電阻應(yīng)變式稱重傳感器是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

二、稱重傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：

電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)較簡單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用。因此電阻應(yīng)變式稱重傳感器在衡器中得到了廣泛地運(yùn)用。稱重傳感器可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如：衡器制造、冶金、石油化工、食品生產(chǎn)、機(jī)械制造、造紙、鋼鐵、交通、礦山、水泥、紡織等行業(yè)。傳統(tǒng)行業(yè)中的料罐、料斗稱重、反應(yīng)釜、平臺秤、電子秤、皮帶秤、地磅、起重機(jī)、分選機(jī)、包裝秤、TMR飼料攪拌機(jī)、配比稱重等領(lǐng)域。新型行業(yè)一般應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)稱重，如：智能垃圾箱稱重、無人售貨機(jī)、倉儲貨架、無人超市、自動化罐裝、智能稱重購物車、食堂稱重系統(tǒng)、車載稱重系統(tǒng)、醫(yī)療床稱重等領(lǐng)域。

三、電阻應(yīng)變式稱重傳感器生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)

1.彈性元件的金屬材料對稱重傳感器的綜合性能和長期穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。應(yīng)選擇強(qiáng)度極限和彈性極限高、彈性模量時間和溫度穩(wěn)定性好、彈性滯后小、加工和熱處理引起的殘余應(yīng)力小的材料。有數(shù)據(jù)表明，只要淬火后材料的塑性好，加工熱處理后的殘余應(yīng)力就會小。要特別注意彈性模量隨時間的穩(wěn)定性，要求材料的彈性模量在稱重傳感器的使用壽命期間不會發(fā)生變化。

2.應(yīng)變式稱重傳感器在制造過程中的工作原理和整體結(jié)構(gòu)決定了生產(chǎn)過程中有些工序必須人工操作，人為因素對稱重傳感器的質(zhì)量影響很大。因此，需要制定科學(xué)、合理、可重復(fù)的制造工藝，增加計算機(jī)控制的自動或半自動工藝，最大限度地減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

3.稱重傳感器的彈性元件、殼體、膜片、上壓頭和下壓墊的設(shè)計必須保證加載后結(jié)構(gòu)中不發(fā)生性能波動，或者性能波動很小。因此，在稱重傳感器的設(shè)計中，應(yīng)變區(qū)的應(yīng)力應(yīng)盡可能單一均勻；貼片位置優(yōu)選是平的；在結(jié)構(gòu)上保證有一定的抵抗偏心荷載和側(cè)向荷載的能力；安裝力遠(yuǎn)離應(yīng)變區(qū)，測量時應(yīng)避免承重點(diǎn)位移。雖然稱重傳感器是一種組裝產(chǎn)品，但為了保證最佳的技術(shù)性能和長期穩(wěn)定性，它盡可能設(shè)計成一個整體結(jié)構(gòu)。

4.加工和熱處理過程在彈性元件的加工過程中，不均勻的表面變形會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。切削量越大，殘余應(yīng)力越大，磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大。因此，需要制定合理的加工工藝，合適的切削參數(shù)。在熱處理過程中，由于冷卻溫度不均勻和金屬材料的相變，在芯層和表層產(chǎn)生不同方向的殘余應(yīng)力，芯層產(chǎn)生拉應(yīng)力，表層產(chǎn)生壓應(yīng)力。必須采用回火工藝產(chǎn)生相反方向的應(yīng)力，抵消殘余應(yīng)力，減少殘余應(yīng)力的影響。

5.電路補(bǔ)償和調(diào)整應(yīng)變式稱重傳感器屬于組裝和制造，貼片組裝和橋接后形成產(chǎn)品。由于不可避免的內(nèi)部缺陷和外部環(huán)境條件的影響，稱重傳感器的一些性能指標(biāo)不能滿足設(shè)計要求，因此必須進(jìn)行各種電路補(bǔ)償和調(diào)整，以提高稱重傳感器本身的穩(wěn)定性和對外部環(huán)境條件的穩(wěn)定性。完善而精細(xì)的電路補(bǔ)償技術(shù)是提高稱重傳感器穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

6.保護(hù)和密封保護(hù)和密封是稱重傳感器制造過程中的關(guān)鍵工序，是稱重傳感器能夠承受客觀環(huán)境和感性環(huán)境的影響，穩(wěn)定可靠工作的根本保證。如果保護(hù)性密封不好，連接到彈性元件上。電阻應(yīng)變片和應(yīng)變膠層都會吸收空氣中的水分，產(chǎn)生塑化，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度和剛度下降，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和輸出不規(guī)則變化，直至稱重傳感器失效。因此，有效的保護(hù)密封是稱重傳感器長期穩(wěn)定運(yùn)行的根本保證，否則，所有的技術(shù)成果都將付諸東流。除了處理上述因素外，提高稱重傳感器穩(wěn)定性最重要的途徑是采取各種技術(shù)措施和工藝手段，模擬使用條件，進(jìn)行有效的人工老化試驗(yàn)，盡可能釋放殘余應(yīng)力，使其性能波動最小化。

四：電阻應(yīng)變式稱重傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的稱量范圍為幾十克至數(shù)千噸，計量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～1/10000，以其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，工作可靠，為大部分電子衡器所使用。

電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，測量范圍廣，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的缺點(diǎn)是存在機(jī)械滯后、蠕變和零漂、應(yīng)變極限，對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱，但是可通過一定措施改進(jìn)。

五、稱重傳感器是如何工作的？

要回答"稱重傳感器是如何工作的？" 我們首先需要知道"應(yīng)變片是如何工作？"應(yīng)變片是測量施加力時電阻變化的裝置。典型的應(yīng)變片由非常細(xì)的線或箔網(wǎng)，以網(wǎng)格模式設(shè)置，當(dāng)沿一個軸施加應(yīng)變時，產(chǎn)生線性電阻變化。有多種類型的應(yīng)變片可供選擇：

線性應(yīng)變片：連接到應(yīng)變片背的導(dǎo)線與應(yīng)變片的邊緣平行。這些用于測量軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變。

剪切應(yīng)變片：連接到應(yīng)變片背的導(dǎo)線以 45o 方向布置到壓力架兩側(cè)。這些用于測量剪切應(yīng)變。

應(yīng)變片通常與更多應(yīng)變片配合使用，以提高精度。一個有源應(yīng)變片稱為四分之一橋，兩個有源應(yīng)變片為半橋，四個有源應(yīng)變片稱為全橋。

應(yīng)變片電阻變化在張力稱重電池與壓縮稱重細(xì)胞不同。張緊力使應(yīng)變片變薄變長，增加電阻。壓縮力使應(yīng)變片變厚變短，電阻降低。應(yīng)變片粘附在薄背（托架）上，該背襯直接連接到稱重單元，使應(yīng)變片能夠體驗(yàn)稱重傳感器的應(yīng)變。